Если подобные реакции протекают очень быстро, то за короткое время выделяется большое количество тепла, что часто сопровождается взрывом. Примером такой реакции служит сгорание пороха.
Однако для начала даже экзотермических реакций необходима энергия активации. Иногда эта энергия чрезвычайно мала, и реакция (например, взрыв) может произойти в результате случайных причин. Но в некоторых случаях, для того чтобы запустить реакцию, т. е., как говорят, преодолеть энергетический барьер, требуется некоторая энергия, поступающая извне. Порох сам по себе не взорвётся. Для взрыва требуется энергия в виде искры, которая вызовет реакцию в небольшом количестве молекул, а освободившаяся в результате этой реакции энергия запустит аналогичный процесс в соседних участках. Далее реакция сгорания будет распространяться с огромной скоростью. Такой самоусиливающийся процесс называют цепной реакцией. Точно так же обстоит дело со смесью водорода и кислорода – гремучим газом. Стоит в гремучий газ попасть небольшой искре или поднести к нему что-то горящее, как начнётся цепная реакция соединения кислорода с водородом, которая будет сопровождаться выделением большого количества энергии, т. е. взрывом[12].
Химические реакции, при которых энергия конечных продуктов оказывается выше энергии исходных веществ, требуют постоянного притока этой энергии извне. Такие реакции называют эндотермическими, они сопровождаются поглощением тепла (см. рис. 133). Самым наглядным примером эндотермической реакции служит приготовление пищи. Для того чтобы сырые продукты превратились в варёные или жареные, в них должно произойти много различных реакций, большинство из которых требуют постоянного поступления теплоты из внешней среды. Поэтому эти продукты приходится в течение какого-то, иногда довольно длительного, времени держать в кастрюле с кипящей водой, на сковороде или в духовке.
Выделение и поглощение энергии в химических реакциях играют огромную роль в процессах, обеспечивающих существование и жизнедеятельность всех живых организмов, в том числе и человека, о чём будет подробно рассказано в дальнейших главах этого учебника.
Проверьте свои знания
1. Сформулируйте закон действующих масс.
2. Что такое температурный коэффициент скорости реакции?
3. Какую роль выполняют катализаторы и ингибиторы химических реакций?
4. Что такое экзотермические и эндотермические реакции?
Задания
1. Подберите эпиграф к данному параграфу.
2. Объясните, почему стирка одежды или мытьё посуды в горячей воде обычно гораздо эффективнее, чем в холодной.
§ 52 Строение и свойства неорганических веществ. Кислоты и основания
Вещества органические и неорганические.
Все существующие в природе химические вещества можно разделить на органические и неорганические. Все органические вещества являются сложными, т. е. состоят из атомов более чем одного элемента, и одним из этих элементов обязательно является углерод. Неорганические вещества могут быть как простыми, так и сложными. При этом они за некоторыми исключениями не содержат в своём составе углерода. Такими исключениями являются углекислый газ (CO2), угарный газ (CO), угольная кислота (H2CO3) и её производные, карбиды, представляющие собой соединения углерода с некоторыми другими элементами, и ещё небольшое количество веществ. Эти вещества, хотя и содержат в своём составе углерод, органическими не являются.
Простые неорганические вещества.
Простые неорганические вещества делят на металлы и неметаллы. Металлы обладают сходными физическими свойствами – металлическим блеском, способностью проводить теплоту и электрический ток. Типичные металлы пластичны, их можно подвергать ковке и прокатке, вытягивать из них тонкую проволоку. Металлами являются, например, литий (Li), натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg), цинк (Zn), алюминий (Al), железо (Fe), марганец (Mn). Неметаллы, как правило, не проводят или плохо проводят электрический ток, в твёрдом состоянии являются хрупкими веществами. Многие простые вещества-неметаллы в обычных условиях газообразны. Неметаллами являются, например, хлор (Cl2), фтор (F2), кислород (O2), сера (S), фосфор (P). Чёткой границы между металлами и неметаллами нет. Так, некоторые неметаллы (графит, иод) обладают блеском и способностью проводить электрический ток, хотя их электропроводность всё равно в десятки тысяч раз ниже, чем у металлов. Среди неметаллов выделяют особое семейство – благородные газы: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn). Валентная электронная оболочка их атомов полностью заполнена, поэтому эти вещества почти не обладают химической активностью. Благодаря этой особенности благородные газы используют для создания инертной атмосферы. Например, гелий используют для наполнения летательных аппаратов и детских воздушных шариков, с помощью аргона и криптона создают защитную атмосферу в лампах накаливания и т. д.
Сложные неорганические вещества: кислоты и основания.
Среди сложных неорганических веществ большой интерес представляют кислоты и основания (щёлочи). В состав кислот входят атомы водорода, способные в ходе электролитической диссоциации отщепляться в виде ионов Н+ от остальной части молекулы. Наиболее известными кислотами являются серная (H2SO4), азотная (HNO3), фосфорная (H3PO4), угольная (H2CO3), соляная (HCl). При электролитической диссоциации кислот образуются положительно заряженные ионы водорода Н+ (катионы) и отрицательно заряженные анионы (HSO-4 или SO2-4, H2PO4, Cl- и т. д.), которые называют кислотными остатками. Таким образом, в растворах, содержащих кислоты, всегда присутствует большое количество ионов водорода. Чем больше концентрация ионов водорода в растворе, тем большей кислотностью он обладает.
При электролитической диссоциации оснований в качестве аниона образуется отрицательно заряженный ион ОН-, который называют гидроксилом или гидроксид-ионом. К основаниям относятся гидроксиды натрия (NaOH), калия (KOH), кальция (Ca(OH)2) и др. Растворимые в воде основания называют щелочами.
Одновременно слабой кислотой и слабым основанием является вода. В обычных условиях вода очень слабо диссоциирует с образованием ионов Н+ и ОН-. Содержание ионов в ней мало, поэтому вода плохо проводит электрический ток. В 1 л чистой воды при комнатной температуре содержится 10—7 моль, т. е. 6,02 1016 катионов водорода и такое же количество гидроксид-ионов. Среду, в которой концентрации ионов Н+ и ОН- равны, называют нейтральной. Если концентрация ионов водорода [H+] в растворе превышает концентрацию гидроксид– ионов [OH– ], то раствор имеет кислотную среду, а если больше гидроксид-ионов [OH– ] – щелочную.
Степень кислотности или щёлочности раствора характеризуют так называемым водородным показателем – рН. Он представляет собой взятый с обратным знаком показатель степени концентрации ионов водорода в растворе, выраженный в моль/л.
В нейтральной среде [H+] = [OH– ], pH = 7,0 (чистая вода).
В кислотной среде [H+] > [OH – ], pH < 7,0.
В щелочной среде [H+] < [OH– ], pH > 7,0.
В желудочном соке человека содержится соляная кислота, которая диссоциирована на ионы H+ и Cl-. Концентрация ионов водорода в желудочном соке равна 0,01 или 10-2 моль/л. Это значительно больше, чем их концентрация в воде. Поэтому желудочный сок является очень кислым, а его рН ≈ 2,0.
В щелочных растворах концентрация ионов водорода снижена и соответственно повышено содержание ионов ОН-. Например, кровь человека обладает слабой щелочной реакцией (рН ≈ 7,3–7,5). Большинство употребляемых в пищу продуктов и напитков имеют слабокислую реакцию. Так, рН яблочного сока около 3, кофе – примерно 5, чая – около 6, а молока – чуть меньше 7. Щелочной реакцией обладает раствор питьевой соды, растворы мыла и стиральных порошков.
Некоторые вещества способны менять свой цвет в зависимости от кислотности среды. В химии такие вещества используют в качестве индикаторов, с помощью которых можно различить кислые, щелочные и нейтральные растворы. Примерами индикаторов являются фенолфталеин и лакмус. Однако увидеть подобную реакцию можно при помощи обычных продуктов. Возьмите немного вишнёвого, клюквенного или другого красного сока и капните в него немного раствора пищевой соды. Сок немедленно изменит цвет на синий или фиолетовый. Это происходит потому, что при добавлении соды создаётся щелочная реакция, и содержащийся в соке пигмент теряет красную окраску, которой он обладал в кислой среде.
